基于漏磁信號的故障檢測與識別

何立偉 勵(lì)萍

（海寧市高級技工學(xué)校，浙江 嘉興 314400）

一、緒論

鋼絲繩在生活中非常常見，它被廣泛應(yīng)用于建筑、石油、礦山等各個(gè)領(lǐng)域，目前在任何領(lǐng)域，都不能找到一種材料能完全替代它。但是，在使用過程中，由于使用環(huán)境惡劣等因素，鋼絲繩會發(fā)生各種損傷。為避免由于鋼絲繩的損傷帶來的不必要損失，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測十分必要?；趯β┐判盘柕臋z測，實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩損傷的準(zhǔn)確定位是其典型應(yīng)用之一。

（一）研究背景與意義

鋼絲繩是鋼絲圍繞繩芯以螺旋狀形式捻在一起的鋼絲束。鋼絲繩被廣泛應(yīng)用，但其并不具備永久壽命，使用過程中，由于長期被拖拽、承受負(fù)載較重等原因，會產(chǎn)生磨損、斷絲、腐蝕等損傷。

目前，由于鋼絲繩損傷而造成的事故層出不窮，例如，浙江德勝東路02標(biāo)段的一起鋼絲繩斷裂事故，當(dāng)工人在進(jìn)行拆除箱梁吊裝作業(yè)時(shí)，由于鋼絲繩忽然斷裂，導(dǎo)致梁體墜落，鋼管支架倒塌，最終造成1人死亡，3人受傷的悲劇。2012年9月25日，一起由于鋼絲繩斷裂導(dǎo)致的悲劇發(fā)生在甘肅省的平川區(qū)，礦車在運(yùn)行時(shí)由于鋼絲繩斷裂而忽然墜落，這場事故導(dǎo)致20個(gè)人失去生命，另外還有14個(gè)人受了重傷。

由此可見，為減少鋼絲繩事故的發(fā)生，對其進(jìn)行定期檢測十分必要。對鋼絲繩故障信息的無損檢測，是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。

（二）鋼絲繩損傷類型

關(guān)于鋼絲繩的損傷，可以分為兩大類：局部損傷型和金屬橫截面積損傷。

局部損傷型(LF)，是指鋼絲繩中的不連續(xù)損傷，比如斷絲、較深的磨損等。該類型的特點(diǎn)是金屬的截面積在某一部位突然變小，最常見的情況就是斷絲。使用過程中由于環(huán)境惡劣造成鋼絲繩發(fā)生局部的剪切、磨損、銹蝕等也會使鋼絲繩發(fā)生局部損傷。

金屬橫截面積損失（LMA），是指鋼絲繩橫截面的面積減小，這種損傷可以通過鋼絲繩探傷儀進(jìn)行檢測，把檢測點(diǎn)處面積與鋼絲繩正常的橫截面積進(jìn)行比較，如果變小，說明此處已經(jīng)損壞。金屬橫截面損失型缺陷的特點(diǎn)是鋼絲繩橫截面積在較長的范圍內(nèi)普遍減小，一般由于長距離腐蝕、長期磨損、繩徑變細(xì)導(dǎo)致。

在所有損傷中，屬于局部損傷型中的斷絲，是最常見的損傷類型。由于斷絲損傷較小，難以分辨，常被人忽略，故本文主要針對斷絲型損傷進(jìn)行檢測。

（三）檢測方式

目前，對鋼絲繩的無損檢測方式，主要有渦流檢測法、超聲波檢測法，射線檢測法，聲發(fā)射檢測法，滲透檢測法，電磁檢測法。其中，電磁檢測法是唯一被實(shí)際應(yīng)用的檢測方式。電磁檢測法是國內(nèi)外公認(rèn)的最可靠的檢測方法。本文利用電磁檢測法對鋼絲繩的損傷進(jìn)行檢測。

電磁檢測又可分為強(qiáng)磁檢測和弱磁檢測兩種。

1.強(qiáng)磁檢測。強(qiáng)磁檢測的檢測原理是先用永久磁鐵沿軸向?qū)︿摻z繩勵(lì)磁，使其被磁化至飽和，此時(shí)，在鋼絲繩的繩股或者斷絲處會產(chǎn)生漏磁場，然后用霍爾元件去檢測永久磁鐵和鋼絲繩之間的漏磁場強(qiáng)度。

在斷絲損傷處，漏磁場較強(qiáng)，在繩股處，漏磁場相對較弱，在其他位置，不會有漏磁場信號產(chǎn)生?；趯β┐艌鰪?qiáng)度的檢測，間接計(jì)算出損傷位置。

2.弱磁檢測。弱磁檢測中，在鋼絲繩周圍施加的磁場強(qiáng)度較弱，和地磁場強(qiáng)度類似，因此，在進(jìn)行檢測時(shí)，容易受到地磁場或者其他外界磁場的干擾，使檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。目前對鋼絲繩的檢測一般不采用此方式。

本文利用強(qiáng)磁檢測法實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩的檢測。但與強(qiáng)磁檢測方式又不完全相同，區(qū)別在于，在對鋼絲繩勵(lì)磁時(shí)，為節(jié)省時(shí)間，并不使其被磁化至飽和。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對鋼絲繩中損傷位置的檢測問題，展開對信號處理方式的研究工作，其目的在于提出一種基于MATLAB 的故障信息處理軟件，以便達(dá)到對鋼絲繩損傷位置準(zhǔn)確定位的作用。

主要的內(nèi)容有以下三點(diǎn)：

（一）采集損傷位置數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取

首先用鋼絲繩探傷儀對損傷的鋼絲繩進(jìn)行檢測，并以一定的頻率對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，所得采樣數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式自動(dòng)進(jìn)行存儲，生成數(shù)據(jù)文件。用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取并分析。

（二）信號分析域的選擇

針對采集的信號，分別從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行分析，比較二者優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇合適的分析域進(jìn)行研究。

（三）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

提取單通道信號在時(shí)域進(jìn)行分析，用代碼實(shí)現(xiàn)損傷位置的準(zhǔn)確定位。用同樣的方式處理其他通道信號，對多個(gè)通道信號進(jìn)行融合與分析。將檢測結(jié)果與鋼絲繩實(shí)際損傷對比，若相符，則檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

三、結(jié)語

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，無可替代，但是使用過程中容易發(fā)生各種損傷，壽命會受到影響。很多損傷都可直接觀測，但斷絲損傷由于較小，常被人忽略，但由于斷絲原因而造成的損失卻不容小覷。

基于以上問題，本文利用電磁檢測法，基于對漏磁場的檢測，經(jīng)過對損傷信息的數(shù)據(jù)采集與格式化讀取、數(shù)據(jù)信息處理、信息融合等步驟，間接獲取鋼絲繩損傷位置。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確，成功率較高。可根據(jù)該檢測結(jié)果對鋼絲繩提出合理的更換意見，減少對社會資源的浪費(fèi)。該實(shí)驗(yàn)具有廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。